ZEMAX | 照明系統的定義和概念以及相關擴展

在這篇文章中,我們將介紹有關照明系統的定義和概念,并對其進行擴展。讓我們從原始的問題“什么是照明系統設計?”開始。我們不急于直接討論照明系統包含哪些組成部分,而是以常見的實例幫助大家構建對成像照明系統和非成像照明系統的認知。

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什么是照明系統設計?

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用一句話概括:照明系統設計是讓光源發出的光呈現特定的分布。
所以對于所有的照明系統,必須有光源,以及描述光學系統輸出光線分布的方法。

一些光源的例子:

  • 發光二極管 (LED)

  • 激光二極管 (LDs)

  • 白熾燈、鹵素燈

  • 太陽和其他黑體輻射源(如人類和動物)

  • 熒光燈

  • 冷光燈

  • 點光源(如星星)

在工業應用中,最常用的光源是放電光源(如鹵素燈)和電致發光光源(如LED 和激光器)。
常見照明系統參數:

通量:

  • 功率或輻射通量(瓦)

  • 光通量(流明)

單位面積通量:

  • 輻照度(瓦每平方米)

  • 照度(勒克斯)

單位立體角通量:

  • 輻射強度(瓦每立體角)

  • 光強度(坎德拉)

單位面積-單位立體角通量:

  • 輻亮度(瓦每平方米每立體角)

  • 亮度(尼特)

光源、探測器、計量單位可點擊文末“閱讀原文”了解更多詳情。
我們令光實現特定分布的同時,也要盡可能高效地傳輸光源的光。常見的光學現象:如反射、折射甚至散射,都能幫助我們改變光線方向,從而達成性能目標。因為這些現象都可以用光學表面來控制,所以,巧妙運用光學表面是照明系統設計的關鍵。
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照明系統實例

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本部分將介紹一些常見的照明系統,我們將附上圖片和文字說明以方便理解。

激光二極管

激光二極管 (LDs) 應用廣泛,如條形碼掃描器、準直器、線發生器和投影系統等。它們的照明范圍都很小,因此很適合對它們的光線進行準直和控制。使用時要注意激光相干性問題,否則可能會由于干涉、衍射或散斑而導致出現不需要的偽影。

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微透鏡陣列

微透鏡陣列常用于使光分布均勻。每個透鏡的小孔徑都有一個小的NA,且只占整個照明區域的很小一部分,非均勻光束能精細地實現很好的均勻度。透鏡陣列的另一個常見用法是漫反射光束,常作為角照明系統的漫反射透鏡。

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背光顯示

背光源常用于平板液晶顯示器中,它本身并不發光,顯示圖形是對光線調制的結果。其廣泛應用于下至手機、智能電話,上至電視、大屏幕的大大小小的顯示系統中。背光源的基本組成是:導光板、散射鏡和增亮膜 (BEF)等。背光系統有兩種類型,傳統邊緣照明系統使用LED作為光源,光沿著導光板傳播。優秀的光學設計可以提高光分布的均勻性。

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另一種方法是背光顯示器的直接照明,使用多個 LED 正對帶有擴散透鏡的LCD 顯示器,來傳播光。由于這種顯示器是直接照明的,所以不需要昂貴的導光板。

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LED 照明

LED 是照明行業中的一種重要的光源,它體積小、堅固耐用、壽命長,同時能量效率又很高。能立即點亮,顏色也有多種選擇。這些優勢讓它們在惡劣環境下成為了優于白熾燈、鹵素燈、激光等一眾光源的選擇。

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LED 的應用實例:汽車前照燈、路面牽引燈、LED燈泡、LED準直器等。

投影系統

某種意義上,投影系統是一種混合光學系統,因為它是一個成像照明系統,有時系統中還有非成像組件。投影可以在很近的地方使用,例如HUD系統的中間照明平面。投影也可以用于中遠距離,如投影儀。

LCD 顯示器照明器(LCD 顯示器背光作為照明系統的一部分)

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光波導

光波導利用發生在介質中的多次全內反射來傳輸光學介質中的光。這種方式幾乎允許光彎曲向任何方向,但需要理解由于全內反射產生的限制,以避免光的泄漏。

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